无缝钢管热处理残余应力研究进展

无缝钢管热处理残余应力研究进展

指导老师：

（内蒙古科技大学材料与冶金学院）

摘要：为消除无缝钢管的轧制和热处理所产生的尺寸和椭圆度误差等缺陷,一般要采用定径工艺。而作为无缝钢管制造最后生产环节的定径工艺决定了管体的尺寸和几何形状, 同时也影响其力学性能。为此,文章研究了满足无缝钢管的尺寸和椭圆度要求下的定径的压下量和温度与残余应力分布的关系,进行无缝钢管定径时的金属流动规律分析,以便减小定径工艺产生的残余应力,获得最佳的定径效果,提高无缝钢管的机械性能,为定径工艺的制定提供理论依据。利用有限元分析软件MSC1M arc模拟无缝钢管淬火过程, 分析了淬火残余应力的分布情况况得到了残余应力按照温度梯度沿半径方向分层分布的规律。

关键词：无缝钢管; 热处理; 残余应力;

Abstract: The sizing process must be taken in order to eliminate the size tolerance and roundness one after the seamless pipe rolled and heat treated. As the last procedure of producing the seamless pipe, the sizing pr ocess plays a key role in not only controlling the pipe size and geometr y shape, but also affecting its mechanical performance. There fore, to meet the tolerance requirements, sy stematic investig atio n has been car ried out t o find the dependence relationship of distribution of residual st ress o n the sizingmeasure and temperature. A detailed analy sis thus is performed to understand metal flow on the sizing defo rmation pro cess. This analysis w ill aid to reduce t he residual stress o f sizing pr ocess, achieve an o ptimized sizing technology and enhance the mechanical performance. The analysis results obtained may provide a theoretical foundation for establishing the sizing process. This paper simulates the quenching process o f the hot- rolled seam less pipe using the so ftwa re of M SC1M a rc by FEM.

Key words：seamless pipe; heat treatment;residual stress;

1前言

1.1压下量和温度对残余应力分布的影响

在定径轧制中, 无缝钢管直径被压缩的同时,其壁厚也将发生变化, 管体的直径和椭圆度的变化主要取决于定径的压下量, 如果适当调整定径的压下量和温度, 就既能消除无缝钢管的椭圆度, 又能达到规定的直径尺寸, 从而也可使无缝钢管的力学性能有所提高。但是, 在进行无缝钢管定径的同时,也会使管体产生残余应力, 降低其机械强度。因此,为保证管体的几何

形状和提高其机械强度, 需要在满足规定的几何形状的前提下, 研究定径轧制的压下量和温度与残余应力分布的关系, 以获最佳的定径效果。

1.2在无缝钢管的轧制生产过程中

热处理工序是生产的重要环节, 它可以改善金属材料的组织性能, 提高产品的机械性能。淬火处理所产生的残余应力也是影响无缝钢管机械性能的重要因素, 这种残余应力主要是由于钢管内外表面的冷却速度不一致造成的。本文利用有限元法对无缝钢管淬火过程进行数值模拟, 分析在改变加热温度和冷却速率的状况下的残余应力分布的变化规律, 以达到减小淬火残余应力, 获得最优淬火条件的目的, 为企业提供技术指导。

1.3热处理消除焊接

残余应力是一种工程上常用的方法［1］。对于热处理降低焊接残余应力的机理一种观点认为材料的屈服应力是随着加热温度的增加而下降的，材料的弹性模量亦随之下降，因此在热处理工艺规定的温度下，材料内部的焊接残余应力超过了该温度下材料的屈服强度，就会发生塑性变形，残余应力就会因为这种塑性变形而有所缓和，但这时残余应力的消除是有限度的，残余应力不可能降低到该热处理温度下材料的屈服强度以下。依照此理论制定的工艺一般要选较高的温度。另一种观点认为热处理降低焊接残余应力是由蠕变引起的应力松弛造成的。材料在较高温度保温时，在内部残余应力的作用下将会发生蠕变，从而引起应力松弛，残余应力就会下降。理论上只要给予充足的时间，残余应力就可以完全消除，而且不受残余应力大小的限制［2,3］。本文通过Q235 钢在不同工艺条件下退火热处理后残余应力变化试验论证焊接残余应力降低机理，为工程上采用热处理消除焊接残余应力提供了理论依据。

2 发展现状

2.1无缝钢管的有限元网格划分

在定径过程中, 一是无缝钢管的几何尺寸发生变化; 二是相互接触的定径轧辊和无缝钢管在接触表面之间传递热量, 而接触关系改变后, 彼此分离的接触面又与环境介质进行热交换; 三是无缝钢管的塑性变形功会转换成体积热流, 而且几乎全部摩擦力的功率不可逆地转化成表面热流。但是, 由于定径轧制过程的时间较短, 所以, 轧辊与环境的换热不够充分, 被轧钢管的温度变化较小, 为了简化计算, 可忽略钢管的温度差异。同时, 考虑无缝钢管的定径量较小, 定径轧辊的弹性变形更小, 两者的强度和刚度相差悬殊, 将定径轧辊作为刚性体处理。进而, 所研究的定径机组为3 机架二辊型。为减少计算量, 考虑结构的对称性, 取无缝钢管1/ 4建立有限元模型。钢管的规格为5245mm @ 12mm, 长度为1000mm。为简化研究问题, 不